用电信息采集系统中无线通信技术的应用

高博凯

（国网陕西省电力有限公司延安供电公司，陕西 延安 716000）

0 引 言

无线通信技术在用电信息采集系统中的应用是一种新兴的研究方向，具有重要的理论意义和实际价值。在用电信息采集系统中应用无线通信技术，可以避免传统有线通信技术的布线复杂、维护困难、易受损坏及可扩展性差等缺点，提高用电信息采集系统的通信效率、通信质量、通信安全性及通信灵活性等，为智能电网的建设和运行提供更好的服务。

1 无线通信技术的特点及发展

1.1 无线通信技术的特点

根据频率范围的不同，无线通信技术可以分为低频、中频、高频、超高频、微波及毫米波等。不同频率的无线通信技术具有不同的传播特性和应用场景[1]。例如，低频和中频的无线通信技术可以利用地波和天波的传播方式，实现远距离的通信，但其数据传输速率较低，适用于广播和海洋通信等领域；高频和超高频的无线通信技术可以利用电离层反射和对流层散射的传播方式，实现中远距离的通信，数据传输速率较高，适用于无线电业余和卫星通信等领域；微波和毫米波的无线通信技术主要利用直线传播的方式，实现近距离通信，数据传输速率非常高，适用于移动通信和雷达等领域。

1.2 无线通信技术的发展

无线通信技术的发展经历模拟通信和数字通信2 个阶段。模拟通信指将信息信号直接调制到载波上，然后通过无线电波传输，再经过解调和放大等处理，还原信息信号[2]。模拟通信的主要优点是技术成熟、设备简单、成本低廉，主要缺点是抗干扰能力弱、信噪比低、通信质量差、系统容量小及安全性差等。数字通信指将信息信号转换为数字信号，然后通过编码、调制等处理，再通过无线电波传输，最后经过解调、译码等处理还原数字信号。数字通信的主要优点是抗干扰能力强、信噪比高、通信质量好、系统容量大及安全性好等，主要缺点是技术复杂、设备昂贵、时延较大等。

2 无线通信技术在用电信息采集系统中的应用

2.1 用电信息采集系统的体系结构

用电信息采集系统作为供电企业的重要工作平台，在多方面发挥着关键作用。该系统主要由采集主站、通信信道及终端设备组成，其组成结构如图1 所示。

图1 用电信息采集系统逻辑框架

采集主站是整个数据采集与监控系统的核心，负责处理大量的业务应用、通信调度及控制执行任务。它与前置平台、工作站、数据库服务器及其他网络设备协同工作，确保系统的稳定运行。通信层主要在主站服务器与现场的终端设备之间建立稳定的信息传输链路，从而保证数据的实时、准确传输。集抄设备由台区集中器和采集器组成，负责汇总和暂存来自采集器和电表的数据，并与系统上层服务器进行通信。终端设备分布在用户现场，包括各种计量设备和辅助设备，核心任务是收集用户的电能消费相关信息，确保数据的完整性和准确性。对于特定的电力客户，专变采集设备负责提供更深入的数据分析和状态检测。采集器一般与多台电能表连接，负责传递用户的电能消费信息给集中器，确保数据的完整性和准确性。集中器作为终端设备的一部分，负责收集来自采集器和电表的信息，并将这些信息汇总和暂存，然后与系统上层服务器进行通信，实现数据的双向传输。

2.2 无线通信技术在用电信息采集系统中的应用场景

2.2.1 低压用电信息采集

低压用电信息采集指通过无线通信技术实现对低压用户用电数据的实时采集或定时采集，包括电能表的读数、电压、电流、功率因数、有功功率、无功功率及电能质量等参数[3]。低压用电信息采集的应用场景是低压配电网，主要涉及住宅、商业、工业等。低压用电信息采集的目的是实现高效、准确、可靠及安全的数据传输，满足电网的计量、结算、监控及优化等需求。

2.2.2 分布式能源接入

分布式能源接入指通过无线通信技术实现对分布式能源的接入管理，包括分布式能源的识别、接入、控制、调度及保护等。分布式能源接入的应用场景是分布式能源网，主要涉及风能、光伏、储能及燃气等可再生能源[4]。分布式能源接入的目的是实现高速、稳定、灵活及智能的数据传输，满足电网的平衡、协调、优化等需求。

2.2.3 智能电网监控

智能电网监控指通过无线通信技术实现对电网的实时监控和故障诊断，包括电网的状态量、故障量、告警量及事件量等。智能电网监控的应用场景是智能电网，主要涉及输电、变电及配电等电网设施。智能电网监控的目的是实现高容量、高质量、高效率及高智能的数据传输，满足电网的安全、可靠、经济及环保等要求。

2.3 无线通信技术在用电信息采集系统中的应用效果和性能指标

无线通信技术在用电信息采集系统中的应用效果和性能指标，主要反映无线通信技术在可靠性、实时性、安全性及经济性等方面的优势和局限[5]。无线通信技术包括微功率无线通信、RF Mesh、ZigBee、M-Bus、通用分组无线服务（General Packet Radio Service，GPRS）以及长期演进（Long Term Evolution，LTE）等，各自的特点和适用场景如下。

2.3.1 微功率无线通信

微功率无线通信是一种利用微波频段（433 MHz、868 MHz、915 MHz 等）进行短距离、低速率信息传输的无线通信技术，适用于低压用电信息采集、需求响应管理等应用场景。微功率无线通信能够实现低压用户用电数据的高效、准确、可靠及安全传输，满足电网的计量、结算、监控及优化等功能。微功率无线通信的性能指标是通信速率为1.2 ～100 kb/s，通信距离为100 ～1 000 m，通信成功率为95%以上，通信延时为10 s 以内，通信功耗为10 mW 以下。微功率无线通信的优点是功耗低、成本低、抗干扰强及安全性高，缺点是速率低、距离短、容量小，不适合大规模网络的组建和高速数据的传输。

2.3.2 RF Mesh

RF Mesh 是一种利用射频频段（2.4 GHz、5.8 GHz等）进行中距离、中速率信息传输的无线通信技术，适用于智能电网监控和分布式能源接入等应用场景。RF Mesh 利用多跳路由的方式，实现电网设施的实时监控和故障诊断，满足电网的安全、可靠、经济及环保等要求。RF Mesh 的性能指标是通信速率为10 ～10 000 kb/s，通信距离为100 ～5 000 m，通信成功率为98%，通信时延为1 s，通信功耗为100m W 以下。RF Mesh的优点是覆盖广、速率高、实时性好及兼容性强，缺点是功耗高、成本高、干扰多及安全性低，需要结合加密算法和相应的安全机制开展通信工作。

2.3.3 ZigBee

ZigBee 是一种利用2.4 GHz 频段进行短距离、低速率信息传输的无线通信技术，适用于智能家居、智能表箱及智能分支箱等应用场景。ZigBee 通过将家庭网关（智能电表）与用户户内可控的电器或装置连接起来，使用户能够积极参与需求响应。ZigBee 的性能指标是通信速率为20 ～250 kb/s，通信距离为10 ～100 m，通信成功率为99%以上，通信延时为0.1 s 以内，通信功耗为1 mW 以下。ZigBee 的优点是功耗低、成本低、网络灵活及传输稳定，缺点是速率低、距离短、容量小，不适合大数据量的传输和复杂环境的覆盖。ZigBee 的通信方式如图2 所示。

图2 ZigBee 的通信方式

由图2 可知，通信网络的结构设计相当精细，每1 个电表箱内都通过RS-485 有线总线形成了1 个小型的网络。而在每个电表箱内，均安装1 个ZigBee节点作为采集器与RS-485 网络相连。ZigBee 节点负责将本箱内的采集数据以无线方式传输到安装在台区计量箱中的另一个ZigBee 节点，降低布线难度，提高系统的灵活性。台区计量箱的总计量关口电能表采用传统的RS-485 方式与ZigBee 节点相连，确保数据的完整性和准确性。

2.3.4 M-Bus

M-Bus 是一种利用433 MHz 频段进行短距离、低速率信息传输的无线通信技术，适用于电能表、断路器、开关、充电桩及传感器等应用场景。M-Bus 的应用实现多种设备的数据采集和控制，满足电网的多业务场景。M-Bus 的性能指标是通信速率为2.4 ～100 kb/s，通信距离为10 ～500 m，通信成功率为95%以上，通信延时为10 s 以内，通信功耗为10 mW 以下。M-Bus 的优点是功耗低、成本低、抗干扰强及安全性高，缺点是速率低、距离短、容量小，不适合大规模网络的组建和高速数据的传输。

2.3.5 GPRS

GPRS 是一种利用公共移动通信网络，如全球移动通信系统（Global System for Mobile communications，GSM）进行长距离、高速率信息传输的无线通信技术，适用于智能电网监控、分布式能源接入等应用场景。GPRS 利用公共移动通信网络，实现电网设施的实时监控和故障诊断，满足电网的安全、可靠、经济及环保等功能。GPRS 的性能指标是通信速率为10 ～100 kb/s，通信距离为无限制，通信成功率为99%以上，通信延时为0.1 s 以内，通信功耗为500 mW 以下。GPRS 的优点是覆盖广、速率高、实时性好及兼容性强，缺点是功耗高、成本高、干扰多及安全性低，需要结合加密算法和相应的安全机制。

2.3.6 LTE

LTE 是一种利用公共移动通信网络进行长距离、高速率信息传输的无线通信技术，适用于智能电网监控、分布式能源接入等应用场景。LTE 利用公共移动通信网络，实现电网设施的实时监控和故障诊断，满足电网的安全、可靠、经济及环保等功能。LTE 的性能指标是通信速率为10 ～10 000 kb/s，通信距离无限制，通信成功率为99%以上，通信延时为0.1 s以内，通信功耗为500 mW 以下。LTE 的优点是覆盖广、速率高、实时性好及兼容性强，缺点是功耗高、成本高、干扰多及安全性低，需要结合加密算法和相应的安全机制。

3 结 论

文章从无线通信技术的基本原理和特点、无线通信技术在用电信息采集系统中的应用场景和需求、应用方案和技术特点、应用效果和性能指标等方面，全面分析和研究无线通信技术在用电信息采集系统中的应用，为相关领域的学术研究和工程实践提供参考。